基于Unity3D的VR英语教育游戏的设计与开发

王春艳 甘甜 吴倩莲 王昱霖 高伟

摘  要： 教育游戏作为游戏与教育相联结的产物，体现了教育形式的多样化，而虚拟现实技术则能增强游戏的体验感。文章以一款用Unity3D软件设计并开发的移动端VR英语教育游戏为案例，介绍虚拟现实技术在教育游戏开发中的应用。

关键词： 虚拟现实技术; Unity3D; 教育游戏; 移动端

中图分类号：G642          文献标志码：A    文章编号：1006-8228（2019）10-74-04

Abstract： Educational games， as a product of the combination of games and education， embody the diversification of educational forms， while virtual reality technology can enhance the experience of the games. Taking a mobile end VR English education game designed and developed by Unity3D software as an example， this paper introduces the application of virtual reality technology in the development of educational games.

Key words： virtual reality technology; Unity3D; educational game; mobile end

0 引言

近年來，随着人们教育理念的转变升级，各式各样的教育类游戏层出不穷，而其中，结合虚拟现实（VR）技术打造的教育类游戏尤为亮眼。Knowledge-Works 战略预测高级总监Katherine Prince 提出：“我们希望教育工作者能够通过它批判性地思考如何使用新兴技术来满足学生的独特需求。”在推进全球化和新时代教育行业改革的时代背景下，英语学习与游戏化学习的结合是大势所趋。本研究中提到的案例游戏“In Order To Dr. ”正是以Unity3D为工具，结合虚拟现实技术打造的一款英语教育游戏，将虚拟现实技术提供的身临其境的真实感与传统游戏的通关元素结合，真正实现了“寓教于乐”的目的。

1 基于Unity3D的VR英语教学游戏及功能模块

虚拟现实简称为VR技术，是由美国VPL公司创始人拉尼尔（Jaron Lanier）在二十世纪八十年代提出。其最突出的三个特征为：沉浸感（Immersion），交互性（Interaction），构想性（Imagination）[1]。VR技术的使用可以使人们在专业传感设备的帮助下，进入由计算机生成的三维感官世界，并且在实时感知与互动中获得身临其境的感觉。

VR技术可以提供丰富的感知线索和多通道的反馈，有利于建设体验式学习所需要的仿真化的学习环境[2]。该文以VR英语教学游戏为例，结合体验式学习中的化身（Avatar）功能，使学习者通过角色扮演（Role Playing）深入感受游戏世界，增强学习体验。传统的网络游戏，玩家仍是基于传统的平面显示器来接受信息，游戏体验仅仅停留在鼠标和键盘的交互，玩家与游戏之间始终会有无法忽视的距离感。不同于传统的网络游戏技术，VR游戏玩家通过一系列感知交互设备，如头盔式显示器、数据手套等，使自己完全沉浸在虚拟世界中。

VR游戏效果的实现正是依赖于Unity3D强大的技术支持。在前期VR教育游戏在英语教学中应用的理论探索与框架建构的基础上[3]，本研究基于暴风魔镜SDK及其硬件设备和unity平台，设计和开发一款名为“In Order To Dr.”的可推广的VR英语教学游戏。

2 案例研究：“In Order To Dr. ”游戏

移动端VR游戏的开发流程与一般的游戏开发流程相似，为使玩家提供沉浸式虚拟现实的体验，游戏需要贴近真实世界，在创建场景时，更注重于物理碰撞等细节，增强虚拟物体与玩家的交互。开发者结合了VR技术的特征和英语教学的目标要求，首先确定VR教育游戏的概念及其特性、游戏类型分类和游戏基本设定和规则，在此基础上构思游戏的整体架构。选取合适的开发软件，游戏引擎，以及开发语言，从而完成游戏的各项功能模块，本节以“In Order To Dr. ”为例，详细阐述其设计与开发过程。

2.1 案例简介

“In Order To Dr.”是一款解谜类英语教育游戏，参与者在了解游戏规则后，根据线索进行推理，配合道具的使用回答相应题目，直至成功完成最终题目，通过关卡。本游戏是解谜类游戏，玩家根据线索发现问题设置的地方，正确回答问题，才能获得下一步的线索提示。参与者通过NPC解说，了解游戏的背景及规则，在完成第一个英语测试后，即可获得含有语法知识点的“逃生宝典”，游戏过程中可以随时查看。

游览游戏场景，通过点击选中并拾取道具。找到适用道具的场景，触发英语完型测试，对应的题目会呈现在游戏界面当中，测试回答正确后，获得更多提示线索或者新道具。最后，玩家根据线索道具破解游戏谜题，完成最终题目，即可获得“研究成果”，证明“陈博士”无罪，从而成功拯救陈博士（如图1所示）。本游目的在于帮助学生熟练地掌握英语语法知识点。在后续开发中，可以根据玩家所需要的学龄、知识点类型，设置不同的内容关卡和测试难度。在游戏之外还设置了VR体验区，可以让玩家在游戏之外，直观的体验该游戏VR场景。

2.2 整体设计

从参与者角度出发，游戏的基本流程如图2所示，此游戏为解密类单机游戏，在不联网的情况下可以在移动终端开展。使用者首先要了解游戏的规则，系统中会通过游戏角色对话了解游戏的背景及规则;进入游戏的主要环节后，需要玩家对所处环境进行探索，发现设置问题的地方。作为英语教学游戏，问题设置与英语语法知识点密切相关，该语法知识点（“逃生宝典”）在游戏过程中可反复查阅;玩家根据提示完成信件，获得含有英语知识点的“逃生宝典”，通过鼠标点击游戏场景中的物品发现问题，通过填空的方式回答问题，答对问题即获得下一个问题的线索，以此类推，可设置多重关卡，直至完成最终题目，获得“研究成果”，游戏结束;在VR体验区，通过头戴式设备为暴风魔镜凝视圆点来进行游戏的交互，每对准一个物体都会弹出对应的英文单词和读音;问题设置依据英语语法知识点环环紧扣，反复查阅的过程中，可加深对知识点的理解，使玩家在主动探索的游戏过程中学习知识。

2.3 具体实现

本游戏选择在Android平台上运行，借助暴风魔镜提供的相关VR技术整合，通过Unity3D平台开发，以此总结出图3所示的开发流程。Mojing SDK开发包主要从手机陀螺仪获取头部跟踪数据、校正静态偏置值，图像抗镜片畸变、交互外设适配及控制等方面为开发者提供便利性支持。

2.3.1 游戏场景架构

⑴ 场景模型创建：根据该案例游戏背景，构思游戏场景的风格特点，并采用3DsMax进行建模。3DsMax提供了所需的建模工具。在正式建模前，将系统单位设置为国际标准的毫米。根据房间效果图创建二维平面并挤出，调整属性，使模型接近理想效果。为减少电脑负载，同时又能较好显示模型纹理、阴影等细节，选用阴影烘焙技术将大量的需要计算光照信息通过生成纹理贴图[4]。为了使场景更具真实感，需要使用Photoshop对场景中的各个物体的贴图进行处理。

⑵ 人物模型创建：该游戏中的人物模型风格我们选择了当下较流行的Voxel风格。人物模型的创建采用了MagicVoxel建模工具，因其操作简单，根据颜色和堆砌方式的不同，可以轻松创建出不同的人物模型。

⑶ 模型导出与导入：在3DsMax中选中导出对象，选择FBX格式导出，并保存在Unity3D工程文件夹下的Assets文件夹下查看效果。如果出现贴图丢失的情况，可以在Unity3D中重新贴图。MagicVoxel中的人物模型选择OBJ格式导出，直接复制到Unity3D下。

⑷ 场景灯光设置：适当的布光可以使整个场景富有层次感，运用光影的变换可以烘托气氛，加强场景真实感。在案例游戏场景中使用了Unity3D 2017的Shadowmask功能，大致上分为三步，场景设置与光照参数的设置;针对软阴影修改光照贴图参数避免带状阴影瑕疵;选择性使用其他可加强效果的后处理特效。

⑸ 背景音乐和音效设置：Unity3D中播放音樂需要三个基本的组件：AudioListener，AudioSource，AudioClip。添加背景音乐：在场景中，给Camera添加一个Audio Source组件，并将我们的音乐文件拖拽到Audio Clip属性上，勾选Loop使其可以进行循环播放。添加音效：用案例测试，找到我们导入的音乐文件，设置为3D音乐，分别给人物与游戏线索赋予Audio Listener组件与音乐文件。

⑹ 运行游戏，返回Scene视窗，拖拽Audio Listener组件的位置，就可以感受到在两个音响之间移动的效果。AudioSource播放声音提供了两种方法：Play方法适合播放背景音乐，因为背景音乐同一时刻只会有一个在播放，而且还需要播放和暂停等控制;PlayOneShot方法适合播放音效，因为音效一般只会播放一次而不需要其它的控制，且允许多个音效同时播放[5]。

2.3.2 功能模块设计

⑴ Unity物理引擎模块设计：从游戏场景建立完成后需要赋予物体相应的物理属性，从而模仿在真实世界中的物体碰撞等反应。Unity3D内置了NVIDIA的Physx物理引擎，可以高效逼真的模拟刚体碰撞，重力等物理效果，使得游戏更为生动真实。其中，Rigidbody刚体组件可以使游戏对象在物理系统的控制中运动，让游戏对象更贴近真实世界的运动。选中需要添加的游戏对象，添加后即可具备物理属性。如果两个刚体相互撞在一起，除非两个对象有碰撞体时物理引擎才会计算碰撞，在物理模拟中，没有碰撞体的刚体会彼此相互穿过[6]。

⑵ 角色控制器的设计：角色控制器（Character Controller）主要用于对第一人称或第三人称游戏主角的控制。本游戏创建类人角色，需要添加角色控制器。角色控制模块主要控制主角的行为，包括当前角色的状态、行进速度的控制和动作行为的判断等。添加自定义的角色控制器的办法为：选中要控制的角色对象→【Component】→【Physics】→【Character Controller】，为该对象添加自定义的角色控制器组件。最后，添加导入的Mojing SDK开发包中预设的角色控制器，Unity第一人称角色预置包含有自己的相机，添加FirstPersonCharacter后，应删除创建场景时自动添加的MainCamera。

⑶ 摄像机控制器的设计：普通游戏模式采用第三人称视角，第三人称视角镜头要跟随主角移动，且保持一定的高度及距离，确保玩家可以一直看到主角。VR体验区导入Mojing SDK提供的MojingMain预设摄像头代替场景创建时自动添加的MainCamera，实际上是将左右两个摄像头绑定在一起，将屏幕分成左右两部分;另外加入IntegrateInputManager用于获取手柄的按键事件，可以上下左右切换按钮，按确认键选中触发按钮;Overlay预设组件实现场景中心的GazePointer射线准星，用于聚焦UI按钮，聚焦按钮后点击确认键可以触发按钮点击事件[7]。

⑷ 网格寻址模式：在本游戏中，玩家需要游览游戏场景，这就需要增添寻路功能，Unity3D提供了适用的网格寻路功能，即NAVMesh。NavMesh是Unity3D中用于实现动态自动寻路的一种技术，它能够通过烘焙地形数据，导航数据，区分路径和障碍物。再给予需要寻路的角色寻路的组件，并设定速度与目的地相关的参数设置，此时设置到目的地，角色就可以根据烘焙好的地形自行前进到目的地，在此基础上可以才有利于添加角色控制器等组件。

3 结束语

VR英语教育游戏能尽可能创造贴近真实环境的场景，通过头戴式设备体验全沉浸式的虚拟环境，使玩家较少受到外界的干扰。游戏情节导向所需的学习目标，使学生在主动探索的过程中不断积累知识。对于学习者而言，此类游戏趣味性强，自主性高，更易激发学习者的热情。

本游戏结合新兴的VR技术，利用暴风魔镜实现了一个移动端VR英语教育游戏。该游戏将英语教学内容巧妙的融入解谜类游戏之中，增强了教学情境的沉浸感和交互性，提高了学生的自主学习能力。虚拟现实技术较好的解决了教学内容与知识的可视化，教学过程缺失沉浸感和交互性、教学模式单调的问题，虚拟现实技术在教育领域方兴未艾。当然本游戏还有诸多不足之处，例如：建模逼真程度一般，普通游戏模式下未设置VR视角，问题设置难度单一，缺乏团队合作元素等，在后续的开发中将进一步完善游戏的难度级别层次，改进游戏模块与VR技术结合的紧密程度，开发团队合作模块，进一步增强游戏的互动性。总之，VR教育游戏为传统教学模式注入了新鲜血液，具有较好的应用前景。

参考文献（References）：

[1] 刘光然.虚拟现实技术[M].清华大学出版社，2011.

[2] 钟正，陈卫东.基于VR技术的体验式学习环境设计策略与案例实现[J].中国电化教育，2018.2：51-58

[3] 高伟，王昱霖，吴倩莲，王春艳.基于VR技术的教育游戏在英语教学中的应用与发展前景[J].软件，2018.39（5）：60-65

[4] 王大虎，刘标，徐炎军.基于虚拟现实的变压器教学仿真[J].计算机时代，2019.3：71-74

[5] Ouyang SG.A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering[J].Computer Applications in Engineering Education，2018. 26（1）：91-100

[6] 张济麟，张艳鹏.应用VR及AR技术的虚拟仿真实验设计与实现[J].软件，2018.39（8）：202-206

[7] 张繁，王通，黄可蒙，茅佳明，黎美玲，王章野.基于Unity3D的改进实时红外仿真系统[J].计算机辅助设计与图形学学报，2018.30（7）：1177-1186